埋入混凝土式压电陶瓷声-压特性的路径映射分析.pdf

第 2 9卷第 3 期 2 0 1 6 年 3 月 传感技术学 报 C HI N E S E J O URN AL OF S EN S OR S A ND AC T UA T OR S V0 1 29 No 3 Ma r 2 01 6 Ana l y s i s o n t h e M a p p i n g Re s u l t s o n t o a Pa t h t o t h e S o u n d Pr e s s ur e Ch a r a c t e r i s t i c s o f t h e Pi e z o e l e c t r i c Ce r a mi c Emb e d d e d i n Co n c r e t e L I P e n g， C HE N Y u ， DE NG Ho n g mi n， ZH AO Ai r o n g， J I A NGMi n ( S c h o o l o f E l e c t r o n i c s A n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g， S i c h u a n U n iv e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Pi e z o e l e c t r i c s ma r t c o n c r e t e mo d u l e i s c o n s i s t o f c o n c r e t e e mb e d d e d pi e z o e l e c t r i c c e r a mi c s ， wh i c h c a n p e rfo r m t h e r e a l - -t i me h e a l t h s t a t us d e t e c t i o n f o r c o nc r e t e s t r u c t u r e s by a p pl y i n g t h e i n v e r s e v o l t a g e e f f e c t o f p i e z o e l e c- t r i c c e r a mi c Ta r g e t i ng a t i mpr o v i n g t h e d a t a r e l i a bi l i t y i n t h e r e c e i v i n g t e r mi n a l ， a p a t h ma pp i n g me t ho d o f de t e c t i n g t h e p r e s s u r e o f t h e t r a n s mi t t i n g s u p e r s o ni c e ne r g y s i g n a l s i s e mpl o y e d t o s t u d y t h e e n e r g y p r o pa g a t i o n l a w o f t h e p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c s i n c o nc r e t e i n t h i s pa pe r Th i s me t h o d i s a p o s t p r o c e s s i n g t e c hn i q u e b a s e d o n t h e i n t e r p o l a - t i o n o p e r a t i o n o f s h a p e f u nc t i o n， wh i c h c o u l d ma p t h e p o s i t i o n i n f o r ma t i o n o f a s ma r t mo d u l e i n t o a n y s p e c i fie d v i r t u a l p a t h Fu rthe r mo r e ， by e x t r a c t i ng t he s up e r s o n i c p r e s s ur e f r o m d i f f e r e nt e ne r g y p a t h s， t h e t r a n s mi s s i o n l a w o f s u pe r - s o n i c e n e r g y o f pi e z o e l e c t r i c c e r a mi c s e mb e d d e d i n c o n c r e t e c a n be o b t a i n e d T he r e s u l t s o f e x pe r i me n t i nd i c a t e t h a t t h e e n e r gy c l o s e d t o t h e v i b r a t i o n s o u r c e i s t h e ma x i mum o f t h e c o r r e s p o n d i n g s u p e r s o n i c fie l d， t h e e n e r g y i n t h e r a di a l d e c a y s r a pi d l y， t h e e n e r gy s u p e r s o n i c p r e s s u r e v a l u e s a nd t he ma p p i n g r a di us o b e y t o t h e p o we r a t t e n u a t i o n c h a r a c t e r i s t i c Mo r e o v e r ， t he a n a l y s i s o f s u p e r s o n i c p r e s s ur e v a l u e s v a r y i n g i n d i f f e r e n t ma p p i n g a n g l e s a l s o p o i nt s o u t t h a t t h e s u p e r s o n i c p r e s s u r e v a l u e s a n d t h e ma p p i n g a n g l e s a l s o o b e y t o d e c r e me n t f e a t u r e s e x c e p t i n t h e r a d i a l d i r e c t i o n Ke y wor ds： p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c； s o un d p r e s s u r e； p a t h ma p p i n g； t he r a d i a l di r e c t i o n； t h e ma p p i n g a n g l e E E ACC： 2 8 6 0 ； 7 8 1 0 C d o i ： 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 4 - 1 6 9 9 2 0 1 6 0 3 0 0 3 埋人混凝土式压电陶瓷声一 压特性的路径映射分析 鹏 ， 陈 雨 ， 邓洪敏， 赵爱荣， 姜 ( 四川 I 大学电子信息学院， 成都 6 1 0 0 6 5 ) 敏 摘 要 ： 将压电陶瓷埋入混凝土结构构成压电 埋人式混凝土机敏模块， 它是利用压电陶瓷的 逆电压效应对混凝土健康状况进行实 时在线检测。为了提高接收端检测数据的可靠性， 本文采用对压电陶瓷在混凝土中传输声能信号进行路径映射方法研究其传播规 律。该方法是基于形函数插值运算的一种后处理技术， 能将机敏模块中的位置结果信息映射到模型的任何路径上， 通过提取不同路 径上的声压能量信息， 从而分析压电埋人式中声能的传播规律。实验表明： 振源附近声场能量最大， 其径向方向能量衰减迅速； 能量 声压值与映射半径服从乘幂函数衰减特性； 对声压值进行不同角度的分析还表明， 除径向方向外， 声压值与映射角度呈递减特性。 关 键词 ： 压电陶瓷； 声压 ； 路径映射； 径向方向； 映射角度 中图分类号： 04 8 2 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 1 6 9 9 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 3 2 0 0 6 在现代建筑工程中， 混凝土已成为一种必不可少 的建筑材料 。在浇筑混凝土过程中， 温度 、 混凝土收 缩应力等多种因素可能导致其 内部结构产生不 同程 度的缺陷。这种不健康的混凝土结构给建筑物正常 使用带来了很大的安全隐患。例如， 曾获过中国工程 鲁班奖的成都天府立交， 其桥底底部最近出现大面积 裂缝。因此 ， 混凝土结构健康状况检测是排除建筑结 构隐患的一种必要措施， 超声无损检测是现代混凝土 结构健康状况检测的主要方法 。重庆大学对埋入 混凝土中压电陶瓷的特性进行了研究 ， 它提出了一种 压电埋入式混凝土无损超声检测的方法口 。该方法 利用压电陶瓷的逆 电压效应对混凝土结构健康状况 进行实时检测 。陈雨等人通过制作压电埋入式机敏 模块 ， 对埋入混凝土中压电陶瓷的温度及应力特性进 行了详细的研究暗 ， 为压 电埋入式超声无损检测方 法提供理论依据和技术支持。刘丽等人通过对埋人 混凝土中压 电陶瓷进行谐 响应分析和模态分析 ， 探究了谐振频率一应变的关系， 该研究在一定程度上 提高了接收信号的效率 。以上成果主要是研究了压 电陶瓷在混凝土中振动辐射超声波和外界温度等方 项 目来源： 国家 自然科学青年基金( 5 0 8 0 8 1 8 6 ) ； 重庆市自然科学基金( C S T C， 2 0 0 8 B B 0 1 5 5 ) ； 国家 自然科学基金( 6 1 1 7 4 0 2 5 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 0 2 1 修改 日期 ： 2 0 1 5 1 2 1 4 李 3 2 2 传感技术学报 W W W c h i n a t r a n s d u c e r s c o m 第2 9 卷 2 压电陶瓷振动方式和声压一 频率分析 2 1 压电陶瓷振动方式的分析 压 电陶瓷是一 种金属一 陶瓷压 电复合物 。它 不仅作为换能器使用 ， 而且具有执行器的功能。压 电复合 物 主要 有厚度 振动 、 水平 振动两种 振动方 式n 。如图 4 、 图 5所示 。 图 4 压 电陶瓷片的纵 向极 化 Z 图5压 电陶瓷片的径 向极化 如图 4所示 ， 陶瓷片的电极方向与极化方 向相 同 ， 均为 z 方 向， 即纵 向极化 ， E= E 。根据文献n ， 则有压电方程式( 1 ) I S 1 s + s 2 T 2 + s 1E3 + d 3 1 E 3 S 2 = s + s 1E 1 + s 3 T 3 + d 3 lE 3 ( 1 ) I S 3 S IE3 T 1 + s + S 3E 3 T 3 + d l3 E 3 如图 5所示 ， 陶瓷片的电极方向与极化方 向相 同 ， 均为 r 方向 ， 即径 向极化 ， E= E ， 。同理 ， 则有压 电方程式 ( 2 ) IS 口 S l l T o + s T z + s lE3 + d 3 1 E ， S z = s + 5 7 1Z + s 1E 3 + d 3 l E ( 2 ) Ls ， = 5 + s 1E 3 T z + s + d 3 3 E ， 由上一节表 1中性能参数知 ， 压 电陶瓷 的 d 3 1 d 。 l， d 3 3 兰2 1 d 3 。 l ， 取A r i d 2， 不同极化状态下压 电陶瓷片径 向位移的关系为 ， 由于 f 。 A r， 得 。 。因此 ， 压电陶瓷径 向极化方法不可取。 实验中埋人式压电陶瓷的纵向尺寸远小于其 径向尺寸 ， 在相同激励 电场作用下对 比两者所产生 纵向位移是不科学的。所以， 实验采取在同一激励 电压下 比较所产生 的纵 向位移 。厚度对换能器 的 纵向位移的贡献微小 ， 所以可忽略陶瓷片 的厚度对 纵向位移 的影响。 实验采用半径为 1 2 mm， 厚 度为 2 m m 的压 电 陶瓷原 片 ， 研究压电陶瓷做纵 向极化与径 向极化模 态分析下模态振幅与谐 振频率关 系。实验数据分 析如 图 6所示 。 频率 k Hz 图 6 P Z T 一 5 H振 动方式 的对 比图 图 6描述埋人式压电陶瓷在激励频率 2 0 k H z 1 0 0 k H z 频段作用下 ， 不同振动方式的振幅一 频率对 比曲线 。该频段 内厚度振动方式 出现了四个明显 的振幅极大值点 ， 径向振动在相应谐振点振动幅值 均小 于厚度振动 的振 幅。实验数据表 明在谐振状 态下厚度振动 幅值相对较大 ， 易 于观察实验数据 ， 所 以本实验选择厚度振动方式。 2 2 压电陶瓷声压一频率分析 在 固固耦合 中， 机敏模块 中质点振动引起 的幅 值不易于测量。压电陶瓷在振动的同时必然 向外辐 射超声波 ， 超声波不仅携带混凝土结构健康状况信 息 ， 同时具有声场指 向性作用 。根据文献n 中声场 声压的分析 ， 沿压 电陶瓷 中心点 向外传播 的平面声 波 ， 平均声 能量流密度或压强 ， + = p 。 c 。 ； 对沿相 二 反方向传播的反射波情形， 可求得式， _ ： 一 1 p 。 c 。 j ， P 。 为混凝土的密度， 为质点速度的幅值 ， P 为单位 体积元上压强的增量 。当声强为负值时 ， 这表 明声 能量向相反方向传递。即当同时存在前进波与反射 波时， 总声强应为 ， = + ， 一 。 由 2 1 节知该压电陶瓷在 2 0 k Hz 1 0 0 k Hz 激励 频段有 1 4 个不同振动模态 ， 每一种不同振动频率都 激励一种不同的声压。在厚度振动方式下 ， 通过声场 仿真分析 ， 获得压电陶瓷辐射超声波的声压云图， 在 激励频率为 7 9 3 3 8 1 H z 时的声压云图如图 7所示。 由图 7知 ， 声压云图是关于轴向对称的， 声压值 为图中 S MN( 前进波声压值 ) 与 s Mx( 反射波声压值) 之和， 故 7 9 3 3 8 1 H z 激励频率下的声压值为 6 3 5 0 5 P a 。同理， 对余下各谐振频率进行声压分析， 实验数 据描述如图 8 所示。 通过 图 6与图 8的分析发现 ， 声压 幅值一频率 拟合 曲线判断最佳激励频率更加明显。由图 8 知 ， 8 0 k Hz 频率点处呈现最佳谐振状态 ， 振动的最大声 压达到最大值 6 5 4 4 P a 。在该频段 内， 2 0 k H z 3 24 传感技术学报 W W W e h i n a t r a n s d u c e r s e o m 第 2 9 卷 砖 出 忸 昌 怄 角度 r a d DI S T 矗 昌 缸 e e l 忸 角度 r a d DI S T DI S T ( c ) R 3 0mm ( d ) R = 5 0mm 图 1 0 不 同映射 半径 的声压一 弧度图 图 l l 边缘映射半径( 1 2 mm) 的声压几何分布 图 从 图 1 2得 出 ， 同一 映射 角度条件 下 ， 埋入 式 砖 怄 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 O 1 5 l 0 5 I * 9 0 一。 映射半径 m 压 电陶瓷振 动辐射超声能量声压值 随映射半径 的 增 加而递减 ， 这正是超声 波信号 在混凝土 中逐渐 衰弱 的体现 。从 图 1 2 ( a ) 看出 ， 压 电陶瓷边缘在径 向方 向的声 压值远 大于其他 映射角度 的声 压值 ， 但 随着 映射半径 的增加 ， 其声压 下降较快 ， 小于相 同映射 半径条件 下其他 方 向角 ( 6 0 。 除外 ) 的声压 值 ， 这也从侧 面验证 了极 化方 向能量衰减 的同时 向厚度振 动方 向转移 的事实 ； 为更 加清 晰地 分析 半径 对声压 的变化关 系 ， 从 图 1 2 ( b ) 可知 ， 在映射 半径 为 1 2 2 5 mm范围 内， 超声波声压能量 的衰减 较快 。在 映射半径为 2 5 5 0 m m范 围内， 超声波声 压能量 的衰减 比较缓慢 ， 呈线性衰减趋势。 矗 忸 0 _ 。 映射半径 m ( a ) 4 个不同角度声压一 半径图 C o ) 3 +gNNNN一 半径图 图1 2 不同映射角度的声压一半径图 在压电陶瓷的边缘时 ， 0度声压值是 1 2 2 2 2 P a ， 3 0 。 声压是 1 0 4 4 5 P a ， 6 0 。 声压是 4 4 8 7 P a ， 9 0 。 声压 值是 4 3 9 7 9 P a ， 9 O 。 声压值远大于别 的角度声压值 ； 当在 1 5 mm时 ， 0 。 声 压 值 衰减 到 9 5 8 1 P a ， 衰 减 2 1 6 1 ， 3 0 。 声 压值衰减到 7 5 2 7 P a ， 衰 减 2 7 9 4 ， 6 0 。 声压值衰减到 1 2 4 4 P a ， 衰减 7 2 2 8 ， 9 0 。 声压值